Linux性能优化实战学习笔记：第三十三讲

1、上节回顾

前几节，咱们一块儿学习了文件系统和磁盘 I/O 的工做原理，以及相应的性能分析和优化方法。接下来，咱们将进入下一个重要模块—— Linux 的网络子系统。

因为网络处理的流程最复杂，跟咱们前面讲到的进程调度、中断处理、内存管理以及 I/O等都密不可分，因此，我把网络模块做为最后一个资源模块来说解。

同 CPU、内存以及 I/O 同样，网络也是 Linux 系统最核心的功能。网络是一种把不一样计算机或网络设备链接到一块儿的技术，它本质上是一种进程间通讯方式，特别是跨系统的进程
间通讯，必需要经过网络才能进行。随着高并发、分布式、云计算、微服务等技术的普及，网络的性能也变得愈来愈重要。

那么：

一、Linux 网络又是怎么工做的呢？

二、又有哪些指标衡量网络的性能呢？

接下来的两篇文章，我将带你一块儿学习 Linux 网络的工做原理和性能指标。

2、网络模型

说到网络，我想你确定常常提起七层负载均衡、四层负载均衡，或者三层设备、二层设备等等。那么，这里说的二层、三层、四层、七层又都是什么意思呢？

一、OSI 网络模型

实际上，这些层都来自国际标准化组织制定的开放式系统互联通讯参考模型（OpenSystem Interconnection Reference Model），简称为 OSI 网络模型。

为了解决网络互联中异构设备的兼容性问题，并解耦复杂的网络包处理流程，OSI 模型把网络互联的框架分为应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层以及物理层
等七层，每一个层负责不一样的功能。其中，

应用层，负责为应用程序提供统一的接口。
表示层，负责把数据转换成兼容接收系统的格式。
会话层，负责维护计算机之间的通讯链接。
传输层，负责为数据加上传输表头，造成数据包。
网络层，负责数据的路由和转发。
数据链路层，负责 MAC 寻址、错误侦测和改错。

二、TCP/IP 模型

可是 OSI 模型仍是太复杂了，也没能提供一个可实现的方法。因此，在 Linux 中，咱们实际上使用的是另外一个更实用的四层模型，即 TCP/IP 网络模型。

TCP/IP 模型，把网络互联的框架分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，其中，

物理层，负责在物理网络中传输数据帧。
应用层，负责向用户提供一组应用程序，好比 HTTP、FTP、DNS 等。
传输层，负责端到端的通讯，好比 TCP、UDP 等。
网络层，负责网络包的封装、寻址和路由，好比 IP、ICMP 等。

网络接口层，负责网络包在物理网络中的传输，好比 MAC 寻址、错误侦测以及经过网卡传输网络帧等。

为了帮你更形象理解 TCP/IP 与 OSI 模型的关系，我画了一张图，以下所示：

固然了，虽然说 Linux 实际按照 TCP/IP 模型，实现了网络协议栈，但在平时的学习交流中，咱们习惯上仍是用 OSI 七层模型来描述。好比，说到七层和四层负载均衡，对应的分
别是 OSI 模型中的应用层和传输层（而它们对应到 TCP/IP 模型中，其实是四层和三层）。

TCP/IP 模型包括了大量的网络协议，这些协议的原理，也是咱们每一个人必须掌握的核心基础知识。若是你不太熟练，推荐你去学《TCP/IP 详解》的卷一和卷二，或者学习极客时间
出品的《 趣谈网络协议》专栏。

3、Linux 网络栈

有了 TCP/IP 模型后，在进行网络传输时，数据包就会按照协议栈，对上一层发来的数据进行逐层处理；而后封装上该层的协议头，再发送给下一层。

固然，网络包在每一层的处理逻辑，都取决于各层采用的网络协议。好比在应用层，一个提供 REST API 的应用，可使用 HTTP 协议，把它须要传输的 JSON 数据封装到 HTTP
协议中，而后向下传递给 TCP 层。

一、封装

而封装作的事情就很简单了，只是在原来的负载先后，增长固定格式的元数据，原始的负载数据并不会被修改。

好比，以经过 TCP 协议通讯的网络包为例，经过下面这张图，咱们能够看到，应用程序数据在每一个层的封装格式

其中：

传输层在应用程序数据前面增长了 TCP 头；
网络层在 TCP 数据包前增长了 IP 头；
而网络接口层，又在 IP 数据包先后分别增长了帧头和帧尾。

这些新增的头部和尾部，都按照特定的协议格式填充，想了解具体格式，你能够查看协议的文档。 好比，你能够查看这里，了解 TCP 头的格

二、什么是MTU？Linux MTU默认值是多少

这些新增的头部和尾部，增长了网络包的大小，但咱们都知道，物理链路中并不能传输任意大小的数据包。网络接口配置的最大传输单元（MTU），就规定了最大的 IP 包大小。
在咱们最经常使用的以太网中，MTU 默认值是 1500（这也是 Linux 的默认值）。

一旦网络包超过 MTU 的大小，就会在网络层分片，以保证分片后的 IP 包不大于 MTU值。显然，MTU 越大，须要的分包也就越少，天然，网络吞吐能力就越好。

理解了 TCP/IP 网络模型和网络包的封装原理后，你很容易能想到，Linux 内核中的网络栈，其实也相似于 TCP/IP 的四层结构。以下图所示，就是 Linux 通用 IP 网络栈的示意

图：

 

 

 

（图片参考《性能之巅》图 10.7 通用 IP 网络栈绘制）

三、网卡设备

咱们从上到下来看这个网络栈，你能够发现，

一、最上层的应用程序，须要经过系统调用，来跟套接字接口进行交互；套接字的下面，就是咱们前面提到的传输层、网络层和网络接口层；

二、最底层，则是网卡驱动程序以及物理网卡设备。

这里我简单说一下网卡：

一、网卡是发送和接收网络包的基本设备。

二、在系统启动过程当中，网卡经过内核中的网卡驱动程序注册到系统中。

三、而在网络收发过程当中，内核经过中断跟网卡进行交互。

再结合前面提到的 Linux 网络栈，能够看出，网络包的处理很是复杂。因此，网卡硬中断只处理最核心的网卡数据读取或发送，而协议栈中的大部分逻辑，都会放到软中断中处理。

4、Linux 网络收发流程

了解了 Linux 网络栈后，咱们再来看看， Linux 究竟是怎么收发网络包的。

注意，如下内容都以物理网卡为例。事实上，Linux 还支持众多的虚拟网络
设备，而它们的网络收发流程会有一些差异。

一、网络包的接收流程

咱们先来看网络包的接收流程。

一、当一个网络帧到达网卡后，网卡会经过 DMA 方式，把这个网络包放到收包队列中；而后经过硬中断，告诉中断处理程序已经收到了网络包。

二、接着，网卡中断处理程序会为网络帧分配内核数据结构（sk_buff），并将其拷贝到sk_buff 缓冲区中；而后再经过软中断，通知内核收到了新的网络帧。

三、接下来，内核协议栈从缓冲区中取出网络帧，并经过网络协议栈，从下到上逐层处理这个网络帧。好比，

一、在链路层检查报文的合法性，找出上层协议的类型（好比 IPv4 仍是 IPv6），再去掉帧头、帧尾，而后交给网络层。

二、网络层取出 IP 头，判断网络包下一步的走向，好比是交给上层处理仍是转发。当网络层确认这个包是要发送到本机后，就会取出上层协议的类型（好比 TCP 仍是 UDP），去
      掉 IP 头，再交给传输层处理。

三、传输层取出 TCP 头或者 UDP 头后，根据 < 源 IP、源端口、目的 IP、目的端口 > 四元组做为标识，找出对应的 Socket，并把数据拷贝到 Socket 的接收缓存中。

四、最后，应用程序就可使用 Socket 接口，读取到新接收到的数据了。为了更清晰表示这个流程，我画了一张图，这张图的左半部分表示接收流程，而图中的粉色箭头则表示网络包的处理路径。

 

 

二、网络包的发送流程

了解网络包的接收流程后，就很容易理解网络包的发送流程。网络包的发送流程就是上图的右半部分，很容易发现，网络包的发送方向，正好跟接收方向相反。

一、首先，应用程序调用 Socket API（好比 sendmsg）发送网络包。

因为这是一个系统调用，因此会陷入到内核态的套接字层中。套接字层会把数据包放到Socket 发送缓冲区中。

二、接下来，网络协议栈从 Socket 发送缓冲区中，

一、取出数据包；再按照 TCP/IP 栈，从上到下逐层处理。

二、好比，传输层和网络层，分别为其增长 TCP 头和 IP 头，执行路由查找确认下一跳的 IP，并按照 MTU 大小进行分片。

三、分片后的网络包，再送到网络接口层，进行物理地址寻址，以找到下一跳的 MAC 地址。而后添加帧头和帧尾，放到发包队列中。

这一切完成后，会有软中断通知驱动程序：发包队列中有新的网络帧须要发送

三、最后，驱动程序经过 DMA ，从发包队列中读出网络帧，并经过物理网卡把它发送出去。

 5、小结

在今天的文章中，我带你一块儿梳理了 Linux 网络的工做原理。

多台服务器经过网卡、交换机、路由器等网络设备链接到一块儿，构成了相互链接的网络。因为网络设备的异构性和网络协议的复杂性，国际标准化组织定义了一个七层的 OSI 网络
模型，可是这个模型过于复杂，实际工做中的事实标准，是更为实用的 TCP/IP 模型。

TCP/IP 模型，把网络互联的框架，分为应用层、传输层、网络层、网络接口层等四层，这也是 Linux 网络栈最核心的构成部分。

一、应用程序经过套接字接口发送数据包，先要在网络协议栈中从上到下进行逐层处理，最终再送到网卡发送出去。

二、而接收时，一样先通过网络栈从下到上的逐层处理，最终才会送到应用程序。

了解了 Linux 网络的基本原理和收发流程后，你确定火烧眉毛想知道，如何去观察网络的性能状况。那么，具体来讲，哪些指标能够衡量 Linux 的网络性能呢？别急，我将在下一节中为你详细讲解。